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前面我們講到,，目前頂電池有兩種潛在候選材料：III-V族半導(dǎo)體和鈣鈦礦,。 那么，這兩種候選材料各有何優(yōu)劣,？ 首先,，III-V族半導(dǎo)體頂電池可與晶硅底電池配合使用。由于晶格失配和溫度收支現(xiàn)象,，兩種材料無法直接用外延法生長在一起,。 目前，III-V族半導(dǎo)體頂電池與晶硅底電池的雙結(jié)疊層組合已在實驗室中達到了32.8%的轉(zhuǎn)換效率[7],。不過,，這種電池技術(shù)的成本比晶硅電池高出了一個數(shù)量級。用外延法生長在鍺或砷化鎵晶片表面,，再進行剝離和轉(zhuǎn)移,，似乎是最可行的做法，不過這在技術(shù)和經(jīng)濟性方面是否可行,，尚有待證明,。圖7所示為上述結(jié)構(gòu)的截面示意圖[8]。 目前,，我們認為該技術(shù)在經(jīng)濟性上未達到量產(chǎn)標準,。  圖7：磷化鎵銦/硅基雙結(jié)疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖[8] 第二個選項是采用鈣鈦礦太陽能電池作為頂電池。近年來,，全球各地的實驗室在鈣鈦礦電池研發(fā)方面都取得了重大進展,。鈣鈦礦單結(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率已超過20%。2018年6月,，牛津光伏（Oxford PV）公司成功開發(fā)出效率高達27.3%的鈣鈦礦/硅基雙結(jié)疊層電池,，首次打破了單結(jié)晶硅電池26.6%的世界紀錄[9]。 鈣鈦礦是一種前景非常廣闊的吸收體材料,。它們屬于直接帶隙半導(dǎo)體,，因此其作為太陽能電池的吸收體材料時，厚度只需達到1 μm即可,。禁帶寬度的調(diào)整范圍為1.5 eV左右至1.7 eV以上,。而且,，即便采用低成本沉積技術(shù)，也能實現(xiàn)出色的復(fù)合特性,。其開路電壓也正在逐步逼近肖克利-奎伊瑟極限,。 鈣鈦礦太陽能電池在短時間內(nèi)就能取得如此驚人的進展，著實令人印象深刻,，但鈣鈦礦/硅基雙結(jié)疊層電池在實現(xiàn)量產(chǎn)之前,，還需要克服不少難關(guān)。 最大的挑戰(zhàn)就是如何確保鈣鈦礦電池的長期穩(wěn)定性,。標準組件可以在惡劣的戶外氣候條件下耐受25-30年,，而鈣鈦礦在幾分鐘之內(nèi)便會退化。不過,，這方面目前也已取得顯著進展：鈣鈦礦/硅基雙結(jié)疊層電池與雙玻組件技術(shù)相結(jié)合，可以通過DH1000或TC200試驗[10],。目前,，研發(fā)人員正在努力提高鈣鈦礦/硅基雙結(jié)疊層電池抵抗紫外線輻射、濕氣,、高溫和氧氣的能力,。 第二項挑戰(zhàn)在于要將不足1cm2的實驗室級電池提升到正常硅片大小。這需要進行大量的工程設(shè)計,，不過可以借助晶硅電池,、薄膜電池及蓄電池生產(chǎn)中成熟的沉積技術(shù)，因此該項挑戰(zhàn)不至于成為根本性障礙,。 鈣鈦礦通常含有鉛,、銫等劇毒元素。目前,，這一點不會影響其在光伏組件中的使用,，因為晶硅電池組件的焊帶和金屬化漿料中也含有鉛。不過,，未來新的法規(guī)也許會限制光伏組件使用有毒材料,。如有需要，漿料和焊帶中的鉛可以輕而易舉地找到替代品,。但鉛是構(gòu)成鈣鈦礦的主要元素之一,，目前還無法被取代。  原則上來說,，雙結(jié)疊層電池組件有兩種設(shè)計方法,。一種方法是采用集成一體化結(jié)構(gòu)：將底電池和頂電池集成在同一個電池片（如圖8所示），再按照標準晶硅電池的工藝將雙結(jié)疊層電池連接起來,，形成電池組件,。另一種方法是將頂電池和底電池分開,，制成兩個組件，然后再串聯(lián)疊放并封裝在一起,。底電池組件的敷設(shè)多多少少有標準可循,。頂電池組件可采用薄膜疊瓦技術(shù)。這種方法的優(yōu)點在于頂電池和底電池之間不需要電流匹配,，缺點在于接觸和電池連接的工作量翻倍,。 我們相信，在協(xié)同效應(yīng),、成本和生產(chǎn)良率方面,，第一種方法的前景更加光明。此外,，就目前的生產(chǎn)技術(shù)而言,，這種方法所需要的改動也少得多。因此,，我們將重點關(guān)注一體化雙端疊層電池,。  圖8：典型的一體化雙結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)[11] 底電池可以采用P型硅片或N型硅片。雖然大多數(shù)實驗室項目都采用N型異質(zhì)結(jié)電池,，但P型電池其實也是可行的,。其中，頂電池和底電池的極性需要相匹配,，這一點至關(guān)重要,。在集成一體化型電池結(jié)構(gòu)中，頂電池通常采用“反型”結(jié)構(gòu),，將P層作為底層,。這意味著底電池也需要將P接觸層作為底層，這一點可以通過背結(jié)N型電池或常規(guī)的P型電池來實現(xiàn),。 不論是N型電池還是P型電池,，都需要在頂電池形成隧穿結(jié)以及一層（導(dǎo)電）光學層。底電池正面無需鍍減反射膜,，也無需金屬化,。由于底電池不導(dǎo)電，因此不適合采用標準氮化硅正面鈍化工藝,，可以選擇晶硅/氧化銦錫（a-Si/ITO）異質(zhì)結(jié)技術(shù),，或選擇帶ITO覆蓋層的多晶硅鈍化接觸作為光學元件。 目前,，鈣鈦礦沉積工藝還不適用于制絨表面,，因此底電池的正面需要進行拋光。不過,，只要背面是制絨表面,，正面拋光只會造成些微損耗,。 頂電池通常采用反型結(jié)構(gòu)，第一層為空穴傳輸層（HTL）,，可采用賀利氏生產(chǎn)的氧化鎳或PEDOT:PSS,。空穴傳輸層必須足夠薄,，以防止紅外寄生吸收,。 鈣鈦礦吸收體層的禁帶寬度可調(diào)整至1.55-1.6 eV，以便用于雙面電池,。許多論文特別關(guān)注如何提高鈣鈦礦的禁帶寬度,，使其達到1.7-1.8 eV，并且設(shè)法解決寬禁帶材料的潛在損耗較高這一問題,。機緣巧合的是,，在確定與雙面電池相匹配的電流時，恰好可以選用最合適的鈣鈦礦種類,。 對于電子傳輸層（ETL）來說,，PCBM聚合物是一個不錯的選擇，其次是用于橫向?qū)щ姴⒆鳛闇p反射膜的ITO層,。 鈣鈦礦只能承受130-150 °C的溫度，因此無法采用溫度高達900 °C左右的標準燒結(jié)工藝,，而必須用低溫銀漿取代標準銀漿或鋁漿,。賀利氏可根據(jù)燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間的具體要求為客戶提供定制漿料。 如果采用PERC電池作為底電池,，那么目前還沒有合適的低溫鋁漿,。晶硅和鋁的共晶溫度為577 °C，要在低于這個溫度的情況下形成局部背場可能比較困難,。因此,，背面金屬化必須在頂電池沉積之前完成印刷和燒結(jié)。不過,，這種無法保證清潔度的金屬化工藝（含粉塵及有機殘留物）可能會對后續(xù)工藝及頂電池的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響,。此外，還可以選擇涂覆背銀柵線,，該工藝目前在雙面異質(zhì)結(jié)技術(shù)和隧穿氧化層鈍化接觸（TopCon）技術(shù)中均有使用,。 在任何情況下，正面（和背面）的低溫銀柵線的電阻率均高于標準銀柵線,。因此,，雖然電流減半，但建議選擇多主柵（MBB）結(jié)構(gòu)來降低串聯(lián)電阻,，減少銀漿用量,。多柵線連接和低溫焊錫涂層有可能成為電池連接工藝的理想選擇,。此外，也可以考慮采用導(dǎo)電膠的疊瓦技術(shù),。賀利氏可根據(jù)固化溫度的具體要求為客戶提供定制導(dǎo)電膠,。由于電流只有5A左右，半片電池組件很可能沒有明顯優(yōu)勢,。  圖9：單結(jié)電池和雙結(jié)疊層電池的組件生產(chǎn)成本與電池效率的關(guān)系 由于光伏平衡系統(tǒng)（BOS）帶來的額外成本,，從系統(tǒng)層面來看，每瓦組件價格會隨著組件效率的提高而上漲,。圖10顯示了當組件效率提升時,，為保持光伏系統(tǒng)成本不變，組件價格的上漲空間,。根據(jù)不同的BOS成本,，組件效率每提高1%（絕對值）,，組件價格可提高約0.01歐元/瓦。 因此,，雙結(jié)疊層電池所需要的效率增益可以更低：只需要2-3%（絕對值）即可,，不用達到5%（絕對值）。這樣,，組件生產(chǎn)成本只增加不到0.02歐元/瓦,，而且可以轉(zhuǎn)嫁到組件價格上。  圖10：在保持光伏系統(tǒng)成本不變的前提下,，組件價格的允許上漲空間與組件效率的關(guān)系,。 鈣鈦礦太陽能電池如今已成為雙結(jié)疊層電池的可行解決方案，可搭配晶硅底電池,，并且在全球各地的多家實驗室內(nèi)都取得了良好的試驗成果,。未來幾年內(nèi)，有望開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率比單結(jié)晶硅電池高出2-3%（絕對值）的雙結(jié)疊層電池,。鈣鈦礦雙結(jié)疊層電池在經(jīng)濟性方面也頗具吸引力,。目前最大的挑戰(zhàn)依然是鈣鈦礦電池缺乏長期穩(wěn)定性。 主流晶硅電池與組件技術(shù)的發(fā)展也令鈣鈦礦雙結(jié)疊層電池受益匪淺,，如多主柵連接和雙玻雙面組件,。要將鈣鈦礦頂電池直接疊加在PERC底電池上似乎頗具挑戰(zhàn)性，不過可以選擇異質(zhì)結(jié)電池或TopCon電池作為底電池,，從而進一步推動未來電池技術(shù)的發(fā)展,。 憑借我們的低溫銀漿、PEDOT:PSS和導(dǎo)電膠,，賀利氏將為客戶開發(fā)鈣鈦礦雙結(jié)疊層電池技術(shù)提供一臂之力。 鈣鈦礦電池目前還存在許多問題,，因此距離實現(xiàn)量產(chǎn)還有很長的一段路,。不過，此類電池是目前唯一有望突破肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser）極限,、光電轉(zhuǎn)換效率達到30%以上的可行解決方案,。 |
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